基于學習率的純電動與燃料電池汽車分場景經濟性比較研究*

邱 彬 ，禹如杰 ，劉 勇 ，4，趙冬昶 ，宋 健

（1. 清華大學，汽車安全與節能國家重點實驗室，北京 100084；2. 工業和信息化部裝備工業發展中心，北京 100846；3. 中國汽車技術研究中心有限公司，天津 300300；4. 南開大學金融學院，天津 300350）

前言

全球范圍內，交通領域碳排放約占總排放量的25%，其中道路交通碳排放約占交通領域總排放量的75%［1］。為控制交通領域碳排放，2015 年零排放汽車聯盟發布聲明，到2050 年僅銷售零排放汽車（ZEV）［2］。ZEV 包括插電式混合動力汽車（PHEV）、純電動汽車（BEV）和燃料電池汽車（FCEV）。我國通過財稅補貼、雙積分等政策推動新能源汽車（NEV）發展，已初步形成了相對完善的新能源汽車政策推廣體系。

在各種政策的推動下，我國新能源汽車市場規模快速增長，詳見圖1。目前NEV 市場中仍以BEV為主。2018 年BEV 市場銷量在NEV 中的占比達80%，其中商用車中BEV 占NEV 的比例高達97%。FCEV尚處于產業發展初期，年銷量在1 000輛左右。

圖1 我國NEV年銷量趨勢

作為較新的技術型式，FCEV的成本被普遍認為具有較大下降空間。Ruffini 等［3］認為在美國加州，FCEV總成本（包含購買和10年使用成本）在2025年前可比傳統內燃機汽車（ICEV）更有優勢，但高于BEV。Cano 等［4］對 FCEV 和 BEV 成本拆解后，認為到2040 年高續駛里程車型FCEV 制造成本優勢更大，低續駛里程車型BEV 制造成本仍優于FCEV。由此可見，車輛的制造成本受車輛類型和屬性影響，使用成本與車輛使用場景相關性大。因此，本研究將在不同應用場景下，針對不同車輛類型，分析BEV與FCEV 未來的成本變化趨勢，為政府制定NEV 推廣政策和企業選擇技術路線提供參考。

1 研究方法

1.1 總體框架

FCEV成本中，燃料電池系統（包含燃料電池堆、空氣供應子系統、加濕器和水回收子系統、高溫和低溫冷卻液管理子系統、燃料供應子系統和燃料電池系統控制器等）和儲氫瓶成本占比近50%［5-6］，規模效應和技術積累會使這些關鍵零部件成本逐步下降。BEV的成本同樣有較大下降空間。本研究在對FCEV、BEV 經濟性成本變化趨勢的比較中，重點考慮燃料電池系統、儲氫瓶、電池、電機等關鍵部件成本變化趨勢。由于車身成本在同級別車輛中差異較小，本研究將FCEV 和BEV 的車身成本設定為相同的固定值。本研究關于FCEV 和BEV 整車經濟性趨勢預測的框架如圖2 所示。本研究將針對私家車、出租車、城市公交、物流車4 個場景對FCEV、BEV 經濟性進行比較分析。

圖2 BEV和FCEV經濟性分析框架

1.2 成本分析框架

1.2.1 BEV經濟性分析框架

BEV 各車輛屬性之間的量化關系如式（1）和式（2）所示。

式中：Rt為t年時BEV 的純電續駛里程，km；Qt為t年時儲能裝置總電量，kW·h；Wt為t年時整車整備質量，t；BCRt為BEV 的單位重量百公里電能消耗率，（kW·h）/t，隨著技術的不斷進步，本研究假定BCRt每年下降1%；ρt為t年時電池系統能量密度，則為電池系統質量；W0為除電池系統以外部分的車身質量，在本研究中忽略W0隨時間的變化。

電池系統能量密度ρt是BEV技術性能趨勢預測的重要變量，本文參考《節能與新能源汽車技術路線圖》［7］（簡稱“路線圖”）中ρt的提升速度，以2017年為基準，設定未來的ρt變化趨勢，如圖3所示。

圖 3 ρt/ρ2017發展趨勢設定

BEV的整車成本可表示為

式中：C0為除電池、電驅動系統外的車身成本，元；CBt為t年時電池包單位電量成本，元/（kW·h）；CDt為驅動電機單位成本，元/kW；MP為驅動電機額定功率，kW。

1.2.2 FCEV經濟性分析框架

FCEV 可分為全功率型（大電堆小電池）和增程式（小電堆大電池）兩類。以豐田Mirai 為代表的車型為全功率類型，其燃料電池系統功率為114 kW，動力電池容量僅1.5 kW·h。以榮威950為代表的部分車型采用小功率電堆搭配大容量電池的增程式技術，其燃料電池系統額定功率為36 kW，搭載11.8 kW·h的電池提供輔助動力。

全功率FCEV的續駛里程為

其中FCEV整備質量為

式中：WH為儲氫瓶儲氫質量，以儲氫質量的一半計算行駛中氫的質量，kg；Wt為t年時整車整備質量，t；HCRt為百公里氫能消耗率，kg/t；W0為除電池、電驅動系統以外的車身質量，在本研究中忽略W0隨時間的變化；Qt為t年時動力電池總電量，kW·h；ρt為t年時動力電池系統能量密度，kW·h/kg；P為燃料電池系統功率，kW；ρFt為燃料電池系統質量功率密度，kg/kW；ρFt?P為燃料電池系統的質量；WT為儲氫瓶質量。

增程式FCEV的續駛里程與能耗的關系為

兩種FCEV 技術路線下的整車成本可采用同一公式表示，如式（7）所示。

式中：CFt為t年時燃料電池系統單位成本，元/kW；CHt為t年時儲氫瓶單位儲氫成本，元/kg。

1.2.3 燃料成本

本節進一步探討不同使用場景下燃料使用成本，如式（8）所示。

式中：CoFt為t年時燃料成本；VKT為年均行駛里程；FUELt為t年時燃料消耗率；Pt為t年時單位燃料價格；k為折現系數。

式中：dr為折現率；n為車輛使用時間。

由于我國電價近年來無明顯變化，因此本文中電能價格按0.8元/（kW·h）計算，并保持不變。氫能成本包括制氫成本、儲運成本和終端加氫成本3 部分。基于相關研究成果，2017 年我國氫能價格設定為 55 元/kg［8］，2050 年約為 35 元/kg［9］，中間年份本文采用線性插值的方法計算取值。

1.3 學習率曲線

學習率曲線根據歷史經驗預測未來成本變化趨勢，可以規避技術突破時間節點不確定性等干擾因素。1936 年，美國學者Wright 指出飛機裝配過程中，產量每增大一倍，勞動時間約降低20%，提出“經驗曲線”的概念［10］。生產成本與累計產量存在相關性。Yelle［11］以“學習曲線”定義“經驗曲線”，給出學習曲線表達式：

式中：N0和Nt分別為基準時刻和t時刻累計產量；C0和Ct分別為基準時刻和t時刻成本；α(α＜ 0)為學習系數。

式中r為進步率。學習率R滿足下式：

由式（10）和式（11）可知

很多學者基于學習率曲線對FCEV 和BEV 的技術經濟性發展趨勢展開研究，詳見表1。

表1 NEV成本學習率相關研究匯總

Mattsson 等［12］較早用學習率研究燃料電池系統成本，類比光伏太陽能電池等技術的發展將學習率設為 0.13。Sano 等［13］對 FCEV 成本趨勢分析時，考慮了最低成本，并將FCEV 成本分為燃料電池系統、儲氫瓶和電機電控3部分。

Matteson［14-15］和 Wei［16］分別對電池和燃料電池系統不同材料體系進行研究。Matteson 的研究中，鉛酸電池學習率為0.19～0.23，鋰離子電池學習率為0.22，兩者學習率接近。據此初步判斷，政策推動下，動力電池學習率受材料種類變化影響可能比較有限。因此本研究中采用統一的學習率展開分析。

根據相關研究，設定FCEV 和BEV 關鍵部件學習率及基準年成本，詳見表2。

表2 FCEV、BEV關鍵部件學習率設定

1.4 累計產量趨勢

本研究中，NEV 累計產量參考IEA 新政策情景［17］。該情景考慮現行政策和政策規劃，2030 年，輕型電動車（含BEV 和PHEV）保有量約1.25 億輛。由于該情景僅設定到2030 年，本研究基于其歷史趨勢，將其延伸至2050 年。FCEV 規模化生產可能發生在2030 年后。FCEV 的累計產量參考IEA 2 ℃富氫情景［18］，到 2030 年全球 FCEV 累計銷量達到 800萬輛，到2050年FCEV 乘用車銷量占比可達到30%。詳見圖4。

1.5 車輛性能參數

增程式FCEV 和BEV 主要以國產為主，因此本文在選取典型車輛性能參數時，將選取國產典型車輛作為參考。全功率FCEV 技術路線以國際先進水平為參照。

圖4 NEV累計產量情景設置

具體來看，乘用車以豐田Mirai 和榮威950 分別作為全功率和增程式FCEV 的典型車型。以北汽福田的 BJ6123FCEVCH-1 和 BJ6851EVCA-16 作為城市公交基準車型。貨車方面，國內東風集團同時開發了增程式FCEV 和BEV 中型貨車，因此基準車型選擇東風的EQ5081XXYTFCEV1 和DFD5070 XXYFBEV車型。

FCEV 和BEV 基準車型技術參數如表3 和表4所示。

本研究以北京為例，討論FCEV 和BEV 在不同使用場景的經濟性差異。具體如表5所示。

表3 FCEV基準車輛性能（乘用車續駛里程為NEDC工況，客車、貨車續駛里程為60 km/h等速工況）［35-36］

表4 BEV基準車輛性能

表5 使用場景特征

2 結果分析

2.1 關鍵部件成本下降趨勢

2020、2025 和 2030 年，我國規劃動力電池系統成本將分別降至1、0.9 和0.8 元/（W·h）［7］。日本發布的《NEDO 二次電池技術研發路線圖2013》，希望2020 年BEV 動力電池系統成本降至2 萬日元/（kW·h）以下（約1 200 元/（kW·h）），2030 年降至1萬日元/（kW·h）以下，之后降至5 000 日元/（kW·h）以下［41］。本研究中，根據表 2 和圖 4 的設定，BEV 動力電池系統成本及其與中、日兩國目標的對比如圖5 所示。

圖5 BEV動力電池系統成本下降趨勢

路線圖中，乘用車燃料電池系統成本2020、2025 和 2030 年分別降至 1 500、800 和 200 元/kW［7］。美國能源部的研究認為，年產50 萬套80 kW 燃料電池系統規模下，燃料電池系統成本可在2025 年降至40 美元/kW（約280 元/kW），最終降至30 美元/kW（約210 元/kW）［42］。本研究中，根據表2 和圖4，設定FCEV燃料電池系統成本趨勢以及與中、美兩國目標的對比，如圖6所示。

圖6 FCEV燃料電池系統單位成本下降趨勢

2.2 BEV與FCEV制造成本趨勢預測與對比

基于表3 和表4 中對車輛性能的設定以及本文的成本分析框架，得到典型車型未來成本趨勢，如圖7所示。

圖7 中，如果續駛里程保持與基準年份不變的情況下，增程式FCEV 乘用車制造成本將長期低于BEV，BEV 乘用車制造成本也將長期低于全功率FCEV；增程式FCEV 客車制造成本將長期高于BEV，在2030 年后將與BEV 客車接近，兩者差異保持在1萬元以內，全功率FCEV 客車制造成本長期高于BEV 客車，差異到2050 年可縮小至約6.4 萬元；增程式FCEV 貨車制造成本在2020 年可低于BEV貨車，隨后與BEV 貨車差異保持約3 萬左右。全功率FCEV 貨車制造成本長期高于BEV 貨車，與BEV差異到2050年縮至約3.8萬元。

圖7 典型乘用車、客車和貨車制造成本變化趨勢

2.3 BEV 與FCEV 分場景綜合成本趨勢預測與對比

在制造成本基礎上，結合本文1.2.3 節對燃料成本的設定，對BEV 和FCEV 各類型應用場景的綜合成本進一步分析，其結果見圖8。

從使用成本看，BEV 有較強競爭力。BEV 使用成本明顯低于FCEV，增程式FCEV 制造成本優勢被高使用成本抵消。BEV 私家車綜合成本（含制造成本和使用成本）長期低于增程式FCEV 和全功率FCEV。出租車、物流車、公交車作為運營車輛，年行駛里程長，使用成本增加明顯。具體來看，基準年2017 年，北京 FCEV 出租車使用成本達 26 萬，到2050 年將降至10 萬元左右。BEV 出租車基準年使用成本僅6.6萬元，隨能耗水平改善，2050年可降至4萬元。基準年2017年，FCEV 公交車使用成本超過100 萬，到 2050 年可降至 51 萬元，而 BEV 公交車使用成本在基準年僅為19.2 萬元，到2050 年降至約11.5 萬元。FCEV 物流車使用成本超過142 萬，到2050 年仍達 62 萬元，BEV 物流車使用成本僅 23 萬元，到2050年降至約16.5萬元。

圖8 不同場景下BEV與FCEV經濟性綜合對比（BEV成本按續駛里程不變測算，折現率按3%計算）

3 結論

本研究以學習率為載體，針對乘用車、客車、貨車，分析了BEV、增程式FCEV、全功率FCEV 3 條技術路線的技術經濟性發展趨勢，并分私家車、出租車、公交車、物流車4 個場景對使用成本進行比較，結論如下。

（1）隨著技術革新和生產規模擴大，NEV關鍵部件成本逐漸下降。動力電池系統成本2030、2050 年可分別降至643、393 元/（kW·h）。燃料電池系統成本2030、2050年可分別降至316、148 元/kW。

（2）典型BEV 按續駛里程不變和按電量不變進行技術升級，制造成本變化趨勢差異明顯。乘用車按續駛里程不變，到2020 年后比按電量不變制造成本低1 萬元左右。客車和貨車兩種技術升級路徑帶來的成本差異都將逐漸增大。

（3）以國際先進制造水平為參考，增程式FCEV比全功率FCEV 制造成本更有競爭力，尤其在乘用車方面，增程式FCEV 制造成本可低于同級別BEV乘用車，增程式FCEV 貨車可在2025 年后低于同級別 BEV，增程式 FCEV 客車 2025 年后與 BEV 客車制造成本接近。

（4）全功率FCEV 乘用車到2030 年后可與BEV乘用車制造成本比較接近，全功率FCEV 客車和貨車在2050年前，制造成本都將高于BEV。

（5）從燃料成本角度看，BEV 有較大的成本優勢，使得BEV 總成本（含制造成本和使用成本）持續低于增程式FCEV 和全功率FCEV。在運營車輛方面，BEV燃料成本優勢更加明顯。